专利名称：通过定向熔融和再固化形成的对齐的多孔基材的制作方法
通过定向熔融和再固化形成的对齐的多孔基材优先权本申请要求2009年5月观日提交的题为“通过定向熔融和再固化形成的对齐的多孔基材(ALIGNED POROUS SUBSTRATES BY DIRECTIONAL MELTING AND RESOLIDIFICATION) ”的美国专利申请系列号第12/473，669号的优先权。背景和概述本发明一般涉及多孔或无孔铸件的模板化生长，更具体来说涉及通过蜂窝体基材内的局部熔融和定向再固化形成的多孔或无孔铸件。多孔基材可以用于很多种应用，包括催化、过滤、膜等。尽管人们已经开发出了很多的加工技术(例如挤出和发泡)来制造多孔材料和其它微孔材料，但是在加工的过程中仍然很难精确并高效地控制孔隙和/或微孔结构的尺寸、形状、定向性、各向同性(或各向异性)、连通性和曲折性。形成微孔材料的另一个难题涉及成孔剂的普遍使用以及与将成孔剂从最终产品除去有关的困难。包含晶体金属(例如铜)和半导体(例如Si、GaAs等)的无孔基材可以用于半导体和非半导体应用。例如，可以采用在石英坩锅中进行定向固化作为代替丘克拉斯基 (Czochralski) (CZ)生长的方法来制造多晶硅的锭块，用于光伏用途。除了半导体材料以外，还可以使用定向固化形成金属基材和陶瓷基材。在本文中，基材是在其上进行工艺操作的材料，或者在其上构建器件或结构的材料。局部熔融和定向再固化一般涉及一系列用来控制固相至液相和随后的液相至固相的转变，以及伴随的固化或铸造主体的形成的方法。本文所述的铸造主体或铸造结构是固体形状。局部熔融包括使固化的原料经过温度梯度，使得一部分原料熔融。定向固化包括使原料中的液体或熔融部分通过温度梯度，从而使其再固化。所述固体原料可以源自原先呈液态的原料，所述原先呈液态的原料可以包括单组分液体，例如熔融硅，或者多组分液体，例如熔融合金(例如硅-锗合金)。而多组分液体组分又可以包括单相(例如熔融Si-Ge合金或水-PVA溶液)或多相。多相液体原料的一个例子是气泡、不混溶的液体和/或固体颗粒在一种或多种液体中的分散体。分散体可以是乳液或胶体。局部熔融和定向再固化可以用来形成多孔或无孔材料，包括金属、半导体、陶瓷、 聚合物或其复合体。例如，可以由包含颗粒在液体中的分散体(即浆液)的多组分原料铸造形成微结构化的微孔材料。该方法包括使液态原料在基质中固化，在所述基质中使所述原料局部熔融并以定向的方式再固化，取出所述固化的(之前呈液态的)相，并且任选地对所得的结构进行致密化。对于单向固化，可以形成具有单向通道(即直线型孔隙)的多孔主体，其中所述通道由之前被固化相占据的空间形成。另一方面，无孔铸件可以由单组分或多组分液体原料(例如熔融硅或熔融金属合金)制造。局部的定向再固化可以作为接近最后形状(near net shape)的成形途径。所述用作模板的基质可以是蜂窝体基材。在单组分和多组分原料体系中，为了控制微结构，从而控制所得的再固化材料的性质，重要的是在再固化过程中保持空间上均勻的固化前锋面(固-液界面)。另外，在多组分体系中，重要的是沿着液-固界面保持横向均勻的颗粒和/或溶质的分布。在实际中， 由于液相中存在密度梯度驱动的对流，很难实现这些条件。定向固化中的对流由体系中不可避免的热梯度产生。即使是在具有垂直稳定的密度分层的例子中，液体中存在的径向温度梯度也会产生对流。所述对流会导致严重的溶质离析以及不均勻的(即存在宏观曲线分布的)固化前锋面。溶质的离析又会导致浓度梯度驱动的对流，这可能会促使或不利于热驱动的对流。在加载微粒的原料的例子中，对流会沿着液-固界面冲走颗粒，会导致颗粒分布的高度不均勻。随着液体的有效尺寸的增大，这一问题通常会变得更明显。当通过定向固化制备多孔铸件的时候，可能会遇到的其它问题(特别是对于较大体积的铸件)包括固化过程中由于成核、非平行颗粒的生长以及预先致密的样品的坯体强度不足造成的孔连续性或连通性的损失。从上述情况来看，人们希望开发出一种通过定向固化制造多孔或无孔铸件的方法，该方法减少沿着液-固界面由热对流和/或溶质对流引起的非均勻性，在按比例放大的样品中减小坯体强度的不足，减少由于成核、非平行颗粒的生长和碰撞造成的多孔铸件的轴向连通性损失和曲折性的增加。根据一个实施方式，形成模板化铸件(templated casting)的方法包括将液体原料加入蜂窝体基材的通道中，形成加载原料的基材，使液体原料在通道内固化，使所述固化的原料局部熔融，然后使熔融的材料定向地再固化。所述铸件可以包括多孔结构或无孔结构。可以通过使多组分原料固化而形成多孔铸件。根据一个非限制性实例，多孔铸件的形成包括将液体分散体加入蜂窝体基材的通道中，形成加载分散体的基材，所述分散体包含分散在液体中的颗粒，使所述液体在所述通道中固化，使所述加载固体的基材相对于局部加热源移动，使其发生局部熔融，使通道内的液体定向地再固化，将所述再固化的材料从通道中除去，形成在通道内包含颗粒的多孔主体的结构。任选地，所述颗粒可以包含金属颗粒、半导体颗粒、陶瓷颗粒和聚合物颗粒中的一种或多种，所述颗粒可以进行烧结或浸渍，以使得铸造结构致密。通过省去除去固化相的操作，可以使单组分或多组分原料固化形成无孔铸件。在另一个实施方式中，模板化铸件包括具有多个通道的蜂窝体基材，以及结合在所述通道中的定向有序的铸造结构。所述蜂窝体基材本身可以包含金属材料、半导体材料、 陶瓷材料或聚合物材料，或者它们的混合物或复合体。例如，蜂窝体基材可以由熟石膏(例如CaSO4 · 0. 5H20)之类的化合物或者硫之类的元素形成。任选地，可以除去所述蜂窝体基材，得到多个由金属材料、半导体材料、陶瓷材料或聚合物材料，或者其混合物或复合体形成的定向有序的铸件。在以下的详细描述中提出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。附图简要说明
图1是局部加热器螺线圈定向固化设备的示意图；图2是画出定向固化的情况的示意图。发明详述形成模板化铸件的方法包括将液体原料加入蜂窝体基材的通道中，形成加载原料的基材，使液体原料在通道内固化，使所述固化的原料局部熔融以形成液体池，然后使熔体定向地再固化。在使液体原料固化之前，液体原料可以包含单组分液体(例如单相或多相)或多组分液体(例如单相或多相)。表1列出了适于形成模板化铸件的原料的例子。表1.示例件单组分和多组分原料
权利要求
1.一种形成模板化铸件的方法，该方法包括将液体原料加入蜂窝体基材的通道中，形成加载原料的基材；使所述液体原料在通道内固化；使一部分所述固化的液体原料局部熔融，形成多个液体池；以及使所述液体池在通道内定向固化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体原料是单组分单相液体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体原料包括熔融固体。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体原料是多组分单相液体。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体原料是包含至少一种溶剂和至少一种溶质的液体溶液。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体原料是包含至少一种固相的多组分原料。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体原料是固体金属、陶瓷或聚合物颗粒的液体分散体。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体原料是颗粒在包含至少一种溶剂和至少一种溶质的液体溶液中的分散体。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜂窝体基材由金属、陶瓷或聚合物中的至少一种形成。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜂窝体基材包括大量基本平行的或径向的通道，所述通道由互连且互相相关的多孔间壁限定。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜂窝体基材包括大量基本平行的或径向的通道，所述通道由互连且互相相关的无孔间壁限定。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在固化过程中，所述通道以基本平行于最大温度梯度的方向取向。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部熔融和使液体池定向固化的操作包括使所述加载原料的基材相对于区域加热器移动。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述加载原料的基材和区域加热器之间的相对移动速率基本等于所述固化原料的局部熔融速率以及定向再固化的原料的生长速率。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述加载原料的基材以能够有效地产生基本呈柱状的晶体生长的速率移动。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，将溶质浓度、温度梯度和固化速率中的一种或多种控制在能够有效地产生多孔和/或树枝状晶体形貌的数值。
17.如权利要求1所述的方法，该方法还包括将定向固化的原料从通道除去。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过选自下组的技术除去定向固化的相 升华、蚀刻、蒸发、浸提和热解。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述液体原料加入通道中之前，将一种或多种晶种加入通道中。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体池沿着所述通道的长度小于所述通道总长度的10%。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部熔融的操作包括使区域加热器相对于加载了原料的基材移动，从而沿着所述通道的长度扫过多个液体池。
全文摘要
一种形成模板化铸件的方法包括将液体原料加入蜂窝体基材的通道中，形成加载原料的基材，使液体原料在通道内固化，然后使所述原料局部熔融并定向再固化。
文档编号B32B3/12GK102448712SQ201080023831
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月21日 优先权日2009年5月28日
发明者P·马宗达 申请人:康宁股份有限公司